《计算机组成原理》课程教学大纲

《计算机组成原理》教学大纲一、课程概述课程名称计算机组成原理英文名称PrinciplesofComputerOrganization课程性质工程技术基础课程代码22125012总学时64学时理论48学时+实验16学时学分3.5开课学期第五学期先修课程电路与电子技术数字电路与逻辑设计适用专业网络工程开课单位计算机与电气工程学院二、课程简介本课程是“计算机科学与技术”、“软件工程”和“网络工程”等专业学生的一门核心专业基础课，是全国研究生入学考试的必考课程，在整个学科体系中起着承上启下的作用。课程基于单处理器计算机系统讲解硬件系统中各部件的组成结构、工作原理、设计思路、逻辑实现方法及相关关系，使学生掌握计算机系统的层次化结构概念、数据通路概念以及数据流和控制流两大信息流在机内的有序流动，弄清硬件与软件之间的接口界面，最终建立一个完整的计算机系统的整机概念，从而培养学生对计算机硬件系统的分析、设计能力，提高学生的创新能力，为后续课程的学习准备必要的底层硬件和计算机系统方面的基础知识。课程的工程性、实践性和技术性比较强，因此，课程强调通过实践环节的训练，培养学生的工程实践能力。三、课程目标课程目标1：了解计算机系统的发展、硬件基本组成、工作过程和计算机硬件的主要技术指标，建立完整清晰地整机概念并能对系统性能进行评价。（支撑毕业要求指标点1.4）课程目标2：理解计算机系统中数据、字符等信息的表示方式以及数据的运算方法，能够对数据的不同表示方式在表示范围、精度以及转换效率方面进行分析。（支撑毕业要求指标点2.3）课程目标3：通过运算器设计、存储器设计、控制器设计理论和实验学习，培养学生运用所学的电路分析、数字逻辑电路、计算机组成原理等课程知识对任务进行分析，并根据分析结果测试并判断设计是否正确。（支撑毕业要求指标点3.2）课程目标4：通过在模型机上设计指令系统并执行典型指令构成的程序段，理解存储程序和程序控制以及指令流、数据流等重要概念，建立整机概念，培养选择合适的平台和工具，对设计方案进行仿真、测试和优化的能力。（支撑毕业要求指标点5.2）四、课程目标对毕业要求指标点的支撑表4-1课程目标对毕业要求指标点的支撑毕业要求毕业要求指标点课程目标12341工程知识1.4能将相关知识用于计算机应用系统解决方案的对比，并进行优化改进M2问题分析2.3掌握国内外的发展现状，并了解解决问题可能存在的各种方案，能通过查阅相关资料，对复杂工程问题的解决方法进行有效表达；M3设计/开发解决方案3.2在需求分析基础上实现网络模块或协议算法分析与设计，并测试正确性，能根据结果进行评价M5使用现代工具5.2设计模拟数据，能使用合适的软硬件开发环境与工具对计算机应用系统领域复杂工程问题进行预测与仿真；H注：分别用“H、M、L”对应表示“高、中、低”支撑。五、教学内容、实施方法和手段表5-1教学内容与进度要求章节小节内容要求具体要求学生成果目标学时第一章计算机系统概论1.1计算机系统简介认知了解计算机系统软件硬件基本概念、层次结构了解计算机系统的层次结构121.2计算机的基本组成对冯・诺伊曼计算机基本组成概要的认识，初步认识计算机内部的工作过程。了解计算机组成框图1.3计算机硬件的主要技术指标了解计算机硬件的主要技术指标如何评价系统性能第二章计算机的发展及应用2.1计算机的发展史认知了解计算机的产生、发展的简要历史，目前的应用领域和展望了解计算机换“代”的依据、摩尔定律122.2计算机的应用2.3计算机的展望第三章系统总线3.1总线的基本概念认知总线概念、功能，信息传送方式（串行和并行）了解总线概念、串行/并行通信123.2总线的分类理解区分片内总线、系统总线、通信总线区分三类总线13.3总线特性及性能指标分析了解总线特性、性能指标及常用总线标准会计算总线数据传输率、带宽13.4总线结构认知单总线、多总线结构，总线结构举例了解总线的不同连接方式及特点123.5总线控制理解判优控制（链式查询、计数器定时查询、独立请求方式）和通信控制（同步、异步、半同步、分离式）掌握总线判优控制和通信控制特点及原理1第四章存储器4.1概述理解存储器分类，存储系统层次结构的概念，了解缓存-主存（提高速度）和主存-辅存层次（扩大容量）的作用理解存储系统层次结构的原理和特点314.2主存储器分析半导体存储芯片的外特性以及与CPU的连接会设计存储系统（字、位扩展）334.3高速缓冲存储器程序访问的局部性原理与存储系统层次结构的关系。会分析三种主存-缓存地址映射方式32第五章输入输出系统5.1概述理解I/O系统组成、I/O设备和主机的联系方式（程序查询、程序中断和DMA）三种方式CPU工作效率比较10.55.2I/O设备认知常用的键盘、显示器、打印机等设备与主机信息交换的方式了解它们如何与主机通信115.3I/O接口接口的功能和组成、分类了解接口的功能和组成、分类11.55.4程序查询方式理解理解程序查询方式原理和步骤掌握三种控制方式特点以及各自所需的硬件及软件支持115.5程序中断方式理解程序中断方式原理和步骤、中断向量的概念、单重中断和多重中断的服务流程115.6DMA方式理解DMA与主存交换数据的三种方法各自的特点。11第六章计算机的运算方法6.1无符号数和有符号数理解机器数与真值的区别、数的符号表示、小数点表示、各种机器数(原码、补码、反码、移码)的应用场合及其与真值的相互转换掌握数的表示和相互转换20.56.2数的定点表示和浮点表示给定机器字长，定点和浮点中各种机器数的表示范围理解数的表示方法和范围20.56.3定点运算理解移位运算的特殊作用，不同机器数的移位规则。能进行定点补码加、减（溢出判断），原码一位乘法运算能进行简单运算226.4浮点四则运算掌握浮点补码加减运算、规格化、溢出判断能进行简单运算226.5算术逻辑单元理解ALU电路功能，了解如何提高运算器的速度（快速进位链的设计）理解ALU功能，了解快速进位链的设计31第七章指令系统7.1机器指令分析理解机器指令的一般格式以及指令字中各字段的作用，理解扩展操作码技术能按要求设计指令系统427.2操作数类型和操作类型认知操作数类型、数据在存储器中的存放方式、操作类型了解指令操作数类型和操作类型417.3寻址方式分析理解不同的地址格式对访存次数、寻址范围的影响理解不同的寻址方式对操作数的寻址范围、所需的硬件支持、信息加工流程以及编程的影响会分析如何得到操作数，有效地址（EA）的形成427.4指令格式举例认知设计指令格式考虑的因素了解常见的几种指令格式40.57.5RISC技术RISC的主要特点及其与CISC的区别会对比RISC和CISC40.5第八章CPU的结构和功能8.1CPU的结构认知了解CPU的内部结构、功能和硬件组成了解CPU的内部结构和功能318.2指令周期理解理解指令周期的基本概念、数据流理解CPU工作周期和指令周期的概念428.3指令流水掌握指令流水技术理解指令流水原理418.4中断系统分析理解中断系统的原理和步骤会分析中断屏蔽字和优先级32第九章控制单元的功能9.1微操作命令的分析分析理解不同的指令控制单元应发出哪些不同的操作命令。控制单元在不同指令的取指、间址和中断周期中发出哪些相同的操作命令（控制信号）会分析指令对应的控制信号329.2控制单元的功能掌握多级时序系统的作用、控制单元的控制方式。会计算指令周期、机器周期、时钟周期32第十章控制单元的设计10.1组合逻辑设计综合能结合时序系统的概念，对不同指令相应的微操作命令安排节拍。掌握组合逻辑控制单元的设计思想、设计步骤、硬件组成及其工作原理。能分析得到微指令的控制方式(编码方式)及后续微指令地址的形成方式。3210.2微程序设计掌握微程序控制单元的设计思想、设计步骤、硬件组成及其工作原理，比较两种控制单元微操作命令节拍安排的区别能确定微指令格式,编写微指令的码点34表5-2实验教学内容与进度要求序号实验/上机项目实验内容与方法实验类型学时必做/选做课程目标1全加器实验掌握全加器的逻辑结构和电路实现方法验证2必做12运算器实验掌握算术逻辑运算功能发生器74LS181的组合功能验证2必做13存储器实验掌握静态随机存取器RAM6116的工作特性及数据读写方法验证2必做14总线与微命令实验理解总线的概念和作用，掌握微命令和微操作的概念和设计设计2必做25累加器实验理解累加器的概念和作用，掌握使用微命令执行各种操作的方法设计2必做26程序计数器实验理解程序计数器的作用，掌握使用微命令通过程序计数器从存储器读取指令和数据的方法设计2必做27微程序控制器实验掌握指令操作码与控制存储器中微程序的对应方法，熟悉根据指令操作码从控制存储器中读出微程序的过程。设计2必做38简单模型机实验通过总线将微程序控制器和运算器、存储器等连接，组成一台简单模型机综合2必做3表5-3课程实施手段序号采用手段具体目标1以课堂教学为主，理论教学、小组讨论与课后作业相结合。强化学生工程观点的建立和工程分析能力的培养。2课堂教学采用多媒体课件、电子教案、传统教学方法和线上教学辅助结合。提高效率，增强教学的直观性和课堂教学的信息量。3小组讨论采用启发式教学，通过学生协作、自主学习的答辩模式进行。让学生自主分工、查阅资料、研究分析与制作汇报报告，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。课程思政表6-1课程思政内容课程思政教学内容=1\*GB3①诚信：认真付出，努力做事，坚持科学观和实事求是精神。=2\*GB3②友善：保持平和、宽容的心去对人做事，团结协作，尊长爱幼。=3\*GB3③爱岗：富有不断学习和探索进取的工作态度，热爱本专业。=4\*GB3④敬业：做事可以吃苦耐劳，工作能够精益求精。=5\*GB3⑤其它：科学发展观及积极向上的人生观。表6-2课程思政案例序号案例名称所属章节/实验实践项目案例教学目标、原理案例教学内容1存储系统层次结构第四章存储器目标：计算机组成的发展规律、设计方法学原理：内因与外因、整体与部分、矛盾分析存储系统层次结构由寄存器、Cache、主存、磁盘、光盘、磁带等不同的存储介质组成。每一种都有缺点，但是组合在一起作为一个整体，可以达到速度快、容量大、价格便宜的要求。2RISC设计思路第七章指令系统目标：计算机组成的发展规律、设计方法学原理：矛盾分析、内因与外因RISC的设计初衷针对CISC

CPU复杂的弊端，选择一些可以在单个CPU周期完成的指令，以降低CPU的复杂度，将复杂性交给编译器。3美国制裁中兴、华为事件第八章CPU的结构和功能目标：计算机组成的价值评判原理：矛盾分析、内因与外因、价值观、人生观只有从源头上掌握芯片核心技术，从设计到制造都有自主知识产权，才能不受制于人。落后就要挨打。七、考核及成绩评定方式1、考核方法本课程考核采用平时成绩+实验成绩+期末考试的综合考核方式，即：总成绩=平时成绩*20%+实验成绩*30%+期末考试成绩*50%平时成绩分为3部分：课后作业（5%）、课堂测试（10%）小组讨论（5%）。各考核环节及权重如表7-1所示。表7-1考核环节及权重表课程目标支撑毕业要求评价方式及成绩比例（%)成绩比例（%）平时成绩实验成绩（4）期末成绩（5）课后作业（5%）课堂测试（10%）小组讨论（5%）课程目标1指标点1.4--5----510课程目标2指标点2.32------57课程目标3指标点1.4，5.235--152043课程目标4指标点1.4，3.2----5152040合计510530501002、考核内容及评价标准①实验成绩：占总成绩的30%。主要考核操作实验平台工具的能力、分析设计能力、语言表达与沟通能力、实验报告撰写与文字表达能力。实验考核评价的依据包括实验报告、现场实验完成情况。评分标准如表7-2所示。表7-2实验成绩评定标准课程目标考核内容考核标准90-100（优）80-89（良）70-79（中）60-69（及格）0-59（不及格）31.验证算术逻辑运算功能发生器74LS181的组合功能2.掌握静态随机存取器RAM工作特性及数据的读写方法3.设计一个控制逻辑实现总线优先级排队4.编写CPLD芯片设计程序，实现存储器的先进先出5.用ABLE语言编写功能描述程序，设计高速四位乘法器独立完成实验，并能解决实验过程中出现的问题；能够独立完成预习报告的撰写，内容全面；能够详细记录实验过程，对实验数据进行正确分析、讨论，并能得到有效结论。独立完成实验，并能解决实验过程中出现的部分问题；能够独立完成预习报告的撰写，内容比较全面；实验过程记录比较详细，分析、讨论比较得当，并能得到有效结论。在同学、老师的帮助下完成实验步骤；能够独立完成预习报告的撰写，内容基本全面；实验过程记录基本详细，分析、讨论基本得当，能够得到部分有效结论。在同学、老师的帮助下完成实验步骤；能够独立完成预习报告的撰写，内容不够全面；实验过程记录不够详细，分析、讨论不够得当，实验结论不够合理。未做实验或未交实验报告41.掌握硬布线控制器的组成原理、设计方法2.编写微程序、观察微程序的执行3.通过总线将微程序控制器和运算器、存储器等连接，组成一台模型机②期末考试成绩：占总成绩50%。主要对学生学习情况的全面检查，其内容覆盖各章知识点，主要考核学生的分析、设计能力,题型主要为计算机系统分析、设计类应用题。期末考核评价依据主要是期末考试试卷，采用闭卷形式,考试时间120分钟，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。具体考试时间安排在期末考试周由教务处统一通知。③平时成绩：占总成绩20%。平时考核占贯穿整个学习期间,考核内容包括章节知识点掌握情况,特别是涉及不易在限定时间内完成,需要查阅相关资料,需要考虑非技术因素,需要考虑对问题的分析与建模能力的内容。平时考核评价主要依据作业完成情况、课堂测试、小组讨论等。A、课堂测试：占总成绩的10%。课堂上可通过在线平台进行针对本次或之前授课内容进行测试，题型一般为单选题、多选题、判断题和填空题等，学生通过移动端平台登陆，测试的结果同时可以作为课堂考勤依据。课堂测试考核方案和评价标准如表7-3所示。表7-3课堂测试考核方案和评价标准课程目标考核内容评价标准1计算机硬件的基本组成、主要技术指标；客观题通过平台自动评分，主观题由老师在平台手动评分，然后在平台上发布学生分数3CPU和存储器之间的连接；存储器的位扩展、字扩展和字位扩展方式；CPU内部结构及主要寄存器的作用；设计指令流程图；微命令、微指令及微程序的设计；定点运算器的基本结构；微程序控制器的结构；硬布线控制器的结构和原理；串行通信和并行通信；同步通信和异步通信4程序查询方式的原理；中断的概念、中断优先级以及中断处理的过程；DMA的过程以及基本DMA控制器结构；I/O接口的结构；I/O系统组成；B、课后作业：占总成绩的5%。课后定期的布置作业，布置次数不低于5次，每次作业的占比均分，根据学生作业是否按时上交、是否独立完成以及作业完成准确性与可读性评分。作业考核方案和评价标准如表7-4所示。表7-4作业考核方案和评价标准课程目标考核内容考核标准90-100（优）80-89（良）70-79（中）60-69（及格）0-59（不及格）2定点数表示方式和浮点数表示方式；常用的信息编码的计算方法和转换方法；定点数的运算方法；浮点数的运算过程；按时足量提交，90以上的概念与计算正确，方案合理，书写清晰、规范按时足量提交，80%以上的概念与计算正确，方案较合理，书写比较清晰、规范缺量提交，70%以上的概念与计算正确，方案基本合理，书写基本清晰、规范补交，60%以上的概念与计算正，方案不够合理，书写不够清晰、规范不交作业3CPU和存储器之间的连接；存储器的位扩展、字扩展和字位扩展方式；CPU内部结构及主要寄存器的作用；设计指令流程图；微命令、微指令及微程序的设计；定点运算器的基本结构；微程序控制器的结构；硬布线控制器的结构和原理；串行通信和并行通信；同步通信和异步通信；C、小组讨论：占总成绩的5%。根据学生课堂回答问题和小组讨论课上表现评分，每次课堂通过小型答辩完成；汇报小组按照学号轮流方式进行，采用组内推荐方式确定具体汇报人。评分按查阅文献情况、团队协作、素材准备、问题分析、现场叙述交流和回答问题情况等进行评价。小组讨论考核方案和评价标准如表7-5所示。表7-5小组讨论考核方案和评价标准课程目标考核内容评价标准考核项比例优良中差4指令寻址方式和操作数寻址方式；指令格式的分析素材准备15%12-159-116-80-5团队协作15%12-159-116-80-55程序查询方式的原理；中断的概念、中断优先级以及中断处理的过程；DMA的过程以及基本DMA控制器结构；I/O接口的结构；I/O系统组成；问题分析25%21-2514-208-130-7报告交流25%21-2514-208-130-7问题回答20%16-2011-156-100-5④按照工程教育认证标准和学校人才培养要求，考核以学生能力是否有效达成为基准。为保障学生课程培养能力的达成，规定期末考试卷面成绩低于45分（不含45分）总评成绩一律为不及格。⑤考核周期为一个学年。为使评价结果尽快反馈给各个教学环节，促使各个教学环节尽快改进，保证教学效果的快速提升。⑥考核依据《计算机与